OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất 1

Thông tin tài liệu

Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành viễn thông OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất

Chương 1 Tổng quan về OFDMChương 1: TỔNG QUAN VỀ OFDM1.1 Giới thiệu chươngTrong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã được đề xuất và chuẩn hoá cho truyền thông tốc độ cao. Để đi sâu vào tìm hiểu kỹ thuật OFDM, chúng ta hãy làm quen với những khái niệm ban đầu như: Hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing), tính trực giao…Biểu diễn toán học của tín hiệu OFDM và hệ thống OFDM băng cơ sở. Cuối cùng, chúng ta đánh giá ưu khuyết điểm của kỹ thuật OFDM.1.2 Sơ lược về OFDMOFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) trong thông tin vô tuyến. Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến các kỹ thuật này thường được nhắc đến dưới cái tên: đa tần (DMT). Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được quan tâm nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và vi điện tử.Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý. 1.3 Các khái niệm liên quan đến OFDM1.3.1 Hệ thống đa sóng mangHệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi trên nhiều sóng mang khác nhau. Nói cách khác, hệ thống đa sóng mang thực hiện chia một tín hiệu thành một số tín hiệu, điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóng mang và truyền trên các kênh tần số khác nhau, ghép những kênh tần số này lại với 1 Chương 1 Tổng quan về OFDMnhau theo kiểu FDM. 1.3.2 Ghép kênh phân chia theo tần số FDMGhép kênh phân chia theo tần số là phương pháp phân chia nhiều kênh thông tin trên trục tần số. Sắp xếp chúng trong những băng tần riêng biệt liên tiếp nhau. Mỗi kênh thông tin được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn. Tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thời trong không gian, thời gian.Để đảm bảo tín hiệu của một kênh không bị chồng lên tín hiệu của các kênh lân cận, tránh nhiễu kênh, đòi hỏi phải có các khoảng trống hay các băng bảo vệ xen giữa các kênh. Điều này dẫn đến sự không hiệu quả về phổ.1.4 Biểu diễn toán học của tín hiệu OFDM1.4.1 Trực giaoCác tín hiệu là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lấp với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao. Xét một tập các sóng mang con: fn(t), n=0, 1, …, N-1, 1 2t t t≤ ≤. Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi: 21*0,( ) ( ),tn mtn mf t f t dtK n m≠==∫ [7] (1.1)2Hình 1.2[7] Ghép kênh phân chia theo tần sốf1f2fnf…Hình 1.1[7] Cấu trúc hệ thống đa sóng mang Chương 1 Tổng quan về OFDMTrong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m. Và trong OFDM, tập các sóng mang con được truyền có thể được viết là: )2exp()( tfjtfnnπ= [7] (1.2)với 1−=j và Tnffnffn/00+=∆+= [7] (1.3) với f0 là tần số offset ban đầu. Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sine. Tần số băng gốc của mỗi sóng mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời ký tự, vì vậy tất cả sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi ký tự. Điều này phù hợp với kết quả tính trực giao vừa được chứng minh ở trên. Hình 1.3 minh hoạ cấu trúc của một tín hiệu OFDM có bốn sóng mang con.Trong minh hoạ này, mỗi sóng mang có số nguyên chu kỳ trong khoảng thời gian T và số chu kỳ của các sóng mang kế cận nhau hơn kém nhau đúng một chu kỳ. Tính chất này giải thích cho sự trực giao giữa các sóng mang.Một cách khác để xem xét tính chất trực giao của tín hiệu OFDM là quan sát phổ của nó. Trong miền tần số, mỗi sóng mang con OFDM có đáp ứng tần số là sinc hay sin(x)/x. Hình 1.4 mô tả phổ của ký tự OFDM có 4 sóng mang con là tổng hợp phổ của 4 hàm sinc.3Hình 1.4 [7] Phổ tín hiệu OFDM với 4 sóng mang contHình 1.3[7] Tín hiệu OFDM có 4 sóng mang con Chương 1 Tổng quan về OFDM1.4.2 Tạo sóng mang con sử dụng IFFTNếu gọi di là chuỗi dữ liệu QAM phức, N là số lượng sóng mang con, T là khoảng thời ký tự và fc là tần số sóng mang, thì ký tự OFDM bắt đầu tại t=ts có thể được viết như sau: ( )−+−=∑−−=+1222/5,02expRe)(NNiscNittTifjdtsπ, Ttttss+≤≤ [20] (1.4) 0)( =ts,stt < ∧ Ttts+>Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế ký tự OFDM trên như sau: ( )∑−−=+−=1222/2exp)(NNisNittTijdtsπ,Ttttss+≤≤ [20] (1.5) 0)( =ts,stt < ∧ Ttts+>Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo tương ứng với thành phần cùng pha và vuông pha của tín hiệu OFDM, mà sẽ được nhân với hàm cos và sin của tần số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu OFDM sau cùng. Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (1.5) được truyền đi tới phía thu, sau khi loại bỏ thành phần tần số cao fc, tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với các liên hiệp phức của các sóng mang con. Nếu liên hiệp phức của sóng mang con thứ j được nhân với s(t), thì sẽ thu được ký tự QAM 2/Njd+ (được nhân với hệ số T), còn đối với các sóng mang con khác, giá trị sẽ nhân bằng không bởi vì sự sai biệt tần số (i-j)/T 4( )( )TttNjs−−)2(expπ( )( )TttNjs−−πexpSerialtoparallel dataOFDM signalHình 1.5[20] Bộ điều chế OFDM Chương 1 Tổng quan về OFDMtạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời ký tự T, cho nên kết quả nhân sẽ bằng không.( ) ( )∫∑+−−=+−−−TttNNisNisssdtttTijdttTjj12222exp2expππ ( )TddtttTjijdNjNNiTttsNiss212222exp+−−=++=−−=∑∫π [20] (1.6)Tín hiệu OFDM được mô tả trong (1.5) thực tế không khác gì hơn so với biến đổi Fourier ngược của N ký tự QAM ngõ vào. Lượng thời gian rời rạc cũng chính là biến đổi ngược Fourier rời rạc, công thức được cho ở (1.7), với thời gian t được thay thế bởi số mẫu n. ∑−==102exp)(NiiNinjdnsπ [20] (1.7)1.5 Khoảng thời gian bảo vệ và mở rộng chu kỳVới một băng thông cho trước, tốc độ ký tự của OFDM thấp hơn nhiều so với phương thức truyền dẫn đơn sóng mang. Ví dụ, đối với kiểu điều chế BPSK đơn sóng mang, tốc độ ký tự tương đương với tốc độ bit truyền dẫn. Còn đối với hệ thống OFDM, băng thông được chia nhỏ cho N sóng mang con làm cho tốc độ ký tự thấp hơn N lần so với truyền dẫn đơn sóng mang. Tốc độ ký tự thấp này làm cho OFDM chống lại được ảnh hưởng của nhiễu ISI gây ra do truyền đa đường. Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM có thể cải tiến hơn nữa bằng cách thêm vào một khoảng thời bảo vệ lúc bắt đầu mỗi ký tự. Khoảng thời gian bảo vệ này chính là copy lặp lại dạng sóng làm tăng thêm chiều dài của ký tự. Khoảng thời bảo vệ này được chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng kênh, để cho các thành phần đa đường từ một ký tự không thể nào gây nhiễu cho ký tự kế cận. Mỗi sóng mang con, trong khoảng thời gian ký tự của tín hiệu OFDM khi không có cộng thêm khoảng thời gian bảo vệ, (tức khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu), sẽ có một số nguyên chu kỳ. Bởi vì việc sao chép phần cuối của ký tự và gắn vào phần đầu cho nên ta sẽ có khoảng thời ký tự dài hơn. Hình (1.6) minh hoạ việc 5 Chng 1 Tng quan v OFDMchốn thờm khong thi bo v. Chiu di tng cng ca ký t l TTS+=, vi TS l chiu di tng cng ca ký t, l chiu di khong thi bo v, v T khong thi gian thc hin bin i IFFT phỏt tớn hiu OFDM. Trong mt tớn hiu OFDM, biờn v pha ca súng mang con phi n nh trong sut khong thi gian ký t cho cỏc súng mang con luụn trc giao nhau. Nu nú khụng n nh cú ngha l dng ph ca súng mang con khụng cú dng sinc chớnh xỏc. Ti biờn ca ký t, biờn v pha thay i t ngt theo giỏ tr mi ca d liu k tip. Chiu di ca cỏc nh hng t bin ny tng ng vi tri tr ca kờnh vụ tuyn. Cỏc tớn hiu t bin ny l kt qu ca mi thnh phn a ng n nhng thi im khỏc nhau. Hỡnh (1.7) minh ho nh hng ny. Vic thờm vo mt khong thi gian bo v lm cho thi gian phn t bin ca tớn hiu gim xung. nh hng ca ISI s cng gim xung khi khong thi gian bo v di hn tri tr ca kờnh vụ tuyn. 6 tPha thu tPha thuKhụng nhiu Nhiu a ng D liuSymbol OFDM Bo v Hỡnh 1.7[22] Khong thi gian bo v gim nh hng ca ISIThi gianNgừ ra IFFTIFFTKhoaỷng thụứibo vIFFTKhoaỷng thụứibo vCopySymbol N-1 Symbol N+1Symbol NFFTTsTHỡnh 1.6[22] Chốn khong thi gian bo v vo tớn hiu OFDM Chương 1 Tổng quan về OFDMChúng ta có thể thấy rằng năng lượng phát sẽ tăng khi chiều dài của CP ∆ tăng, trong khi đó năng lượng của tín hiệu thu và lấy mẫu vẫn giữ nguyên. Năng lượng của một sóng mang nhánh là:( )∫∆−=SSTTt2φ [7] (1.8)Và suy giảm SNR do loại bỏ CP tại máy thu là:∆−−=SlossTSNR 1lg10[7] (1.9)Như vậy, CP có chiều dài càng lớn thì suy giảm SNR càng nhiều. Thông thường, chiều dài tương đối của CP sẽ được giữ ở mức nhỏ, còn suy giảm SNR chủ yếu là do yêu cầu loại bỏ xuyên nhiễu ICI và ISI (nhỏ hơn 1 dB khi 2,0/ <∆ST).Trong hệ thống OFDM, mỗi sóng mang nhánh có thể được biểu diễn:( ) ( )tfjxtsnmnmnπ2exp,,=[7] (1.10)Trong đó xn,m là modul của số phức tương ứng với sóng mang nhánh thứ n trong 7 Chương 1 Tổng quan về OFDMkí tự OFDM thứ m có giá trị khác 0 trên [(m -1)TS, mTS), với TS là chu kỳ tín hiệu; fn là tần số sóng mang nhánh thứ n.Biểu diễn tín hiệu dưới dạng trung bình của các sóng mang phức liên tục theo thời gian, với m cho trước:( ) ( )∑−==10,2exp1NnnmnmtfjxNtsπ[7] (1.11)Trong đó, fn = f0 + n∆f với f0 là tần số gốc và ∆f là khoảng dãn cách giữa các sóng mang. Không mất tính tổng quát, gán f0 = 0. Thay giá trị fn và lấy mẫu sm(t) tại tần số 1/T, ta có:( ) ( )( )∑−=∆∆=10,2exp1NnmnmtfnjxNkTsπ[7] (1.12)Ta chọn N mẫu tín hiệu trên một chu kỳ tín hiệu, và sử dụng quan hệ t = NT, so sánh phương trình trên với dạng tổng quát phép biến đổi IDFT:( ) ( )( )∑−=∆∆=102exp1NntfnjNTnGNkTgπ[7] (1.13)8 Chương 1 Tổng quan về OFDMChúng ta thấy rằng, hàm phức xn,m theo biến n chính là định nghĩa của tín hiệu được lấy mẫu biểu diễn trong miền tần số và s(kT) là dạng biểu diễn trong miền thời gian. Do mối quan hệ giữa hai phép biến đổi DFT và IDFT:( )j2[n]=G enNGωπω=[7] (1.14)Nên phương trình (1.13) và (1.14) tương đương với nhau, nếu:1 1fNTτ∆ = = [7]Điều kiện này giống với điều kiện về tính trực giao giữa các sóng mang nhánh. Như vậy, để có thể duy trì tính trực giao hệ thống OFDM có thể sử dụng phép biến đổi DFT. Đây là một đặc điểm rất quan trọng vì hai lý do chính sau: Thứ nhất, DFT là một dạng của phép biến đổi Fourier mà ở đó tín hiệu được lấy mẫu và nhờ vậy chúng trở nên tuần hoàn cả trong miền thời gian lẫn tần số. Phép biến đổi này cùng với việc chèn thêm các dải bảo vệ nhằm giúp cho mỗi kí tự OFDM tuần hoàn đã giúp 9 Chương 1 Tổng quan về OFDMcho việc thực hiện tích chập tuần hoàn với hàm truyền đạt của kênh trở nên dễ dàng hơn. Ưu điểm thứ hai của việc sử dụng DFT là phép biến đổi này có thể dễ thực khá đơn giản và hiệu quả cao bằng thuật toán FFT.1.6 Điều chế trong OFDM1.6.1 Điều chế QPSKĐây là một trong những phương pháp điều chế thông dụng nhất trong truyền dẫn. Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau: 2cos[2 ( ) ] 0( )0 0;iEt t t TS tTt t Tπ θ θ+ + ≤ ≤=< > [2] (1.15)Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0( ) (2 1)4t iπθ= −(1.16)Trong đó: i = 1, 2, 3, 4 tương ứng là các ký tự được phát đi là “00”, “01”, “11”, “10” T = 2.Tb (Tb là thời gian của một bit, T là thời gian của một ký tự) E là năng lượng của tín hiệu phát trên một ký tự.Khai triển s(t) ta được :2 2cos[(2 1) ]cos(2 ) sin[(2 1) sin(2 ) (0 )( )4 40 ( 0; )c ciE Ei f t i f t t TS tT Tt t Tπ ππ π− − − ≤ ≤=< >[2](1.17)Chọn các hàm năng lượng trực chuẩn như sau: 12( ) sin[2 ]; 0ct f t t TTπΦ = − ≤ ≤ [2] (1.18) 22( ) sin[2 ]; 0c bt f t t TTπΦ = ≤ ≤ [2] (1.19)Khi đó: 1 2( ) ( ) sin[(2 1) ] ( ) cos[(2 1) ]4 4iS t t E i t E iπ πφ φ= − + − [2] (1.20)Vậy bốn điểm bản tin ứng với các vector được xác định như sau : 12sin[(2 1) ]4( 1,2,3, 4)cos[(2 1) ]4iiiE iSS iSE iππ −  = = =    −   [2] (1.21)10 [...]... t ≤ T ) [2] (1. 23) (0 ≤ t ≤ T ) 64QAM 16 QPS QAM K Hình 1. 9[2] Chùm tín hiệu M-QAM 1. 7 Hệ thống OFDM băng gốc 1. 7 .1 Sơ đồ hệ thống OFDM băng gốc Dữ liệu nhị phân Dữ liệu ra X(k) Sắp xếp Sắp xếp lại S/P Chèn pilot P/S Ước lượng kênh x(n) Chèn dải bảo vệ IFFT y(n) Y(k) FFT xf(n) Loại bỏ dải bảo vệ h(n) P/S Kênh yf(n) Hình 1. 10 Sơ đồ hệ thống OFDM 12 S/P + AWGN w(n) Chương 1 Tổng quan về OFDM Đầu tiên,...Chương 1 Tổng quan về OFDM Quan hệ của cặp bit điều chế và toạ độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK trong không gian tín hiệu được cho ở bảng sau: Cặp bit vào Pha của tín hiệu QPSK Điểm tín hiệu Si 00 π /4 Toạ độ các điểm bản tin 1 Φ2 S1 01 11 10 E/2 3π / 4 S2 E/2 5π / 4 S3 − E/2 7π / 4 S4 − E/2 Bảng 1. 1[2] Thông số của điều chế QPSK E/2 − E/2 − E/2 E/2 Ta thấy... (k ) với k = 0, 1, , N -1 H e (k ) (1. 30) Sau đó tín hiệu ở dạng nhị phân được đưa đến khối “Sắp xếp lại” (Remapping) 1. 8 Đánh giá về kỹ thuật OFDM 1. 8 .1 Ưu điểm - Sử dụng dải tần rất hiệu quả do phép chồng phổ giữa các sóng mang Hạn chế được ảnh hưởng fading và hiệu ứng đa đường bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau -... W(k) với k = 0, 1, , N -1 r 1 Trong đó: sin(π f Di T ) i =0 π f Di T H (k ) = ∑ hi e jπ f DiT e − j 2π Ti k / N hi X (m) 1 − e j 2π ( f Di − k + m ) − j 2π Ti m / N I (k ) = ∑ ∑ e N 1 − e j 2π ( f Di − k + m) / N i =0 m =0; m ≠ k r 1 N 1 14 (1. 29) Chương 1 Tổng quan về OFDM Nếu ở trước khối IDFT ta có đưa khối chèn pilot để ước lượng kênh thì sau khối DFT sẽ có bộ ước lượng kênh có hàm truyền He(k)... là ký tự OFDM sẽ có dạng như sau: 13 Chương 1 Tổng quan về OFDM  x( n + N ) x f ( n) =   x( n ) n = − ∆,−∆ + 1, , 1 n = 0 ,1, , N − 1 Ở đây ∆ là chiều dài của dải bảo vệ Tín hiệu phát xf(n) sẽ truyền qua kênh fading biến đổi thời gian chọn lọc tần số với nhiễu cộng Tín hiệu thu được là: y f ( n) = x f ( n) * h( n) + w( n) (1. 25) Ở đây w(n) là nhiễu trắng Gaussian cộng AWGN và h(n) là đáp ứng xung... là đáp ứng xung của kênh truyền, h(n) có thể được biểu diễn: r 1 h(n) = ∑ hi e j 2π f Di Tn / N i=0 δ (λ − τ i ) với 0 ≤ n ≤ N -1 (1. 26) Trong đó: r là tổng số đường truyền; hi là đáp ứng xung phức của đường truyền thứ i; fDi là độ dịch tần Doppler của đường truyền thứ i; λ là chỉ số trải trễ ; T là chu kỳ lấy mẫu; τi: độ trễ được chuẩn hoá bằng thời gian lấy mẫu của đường truyền thứ i Tại phía thu,... Vấn đề đồng bộ tần số trong các hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống sóng mang đơn 15 Chương 1 Tổng quan về OFDM 1. 9 Kết luận chương Trong chương này, chúng ta đã tìm hiểu tổng quan về kỹ thuật OFDM Với những ưu điểm nó cho thấy đây là một giải pháp công nghệ hứa hẹn sự lựa chọn cho tương lai Tuy nhiên, OFDM vẫn còn có một số nhược điểm để áp dụng được OFDM vào những hệ thống thực tế chúng ta cần giải... bởi bộ ADC và qua bộ lọc thông thấp, khoảng bảo vệ được loại bỏ: y f ( n) với y( n) = y f ( n + ∆ ) − ∆ ≤ n ≤ N 1 n = 0 ,1, , N − 1 (1. 27) Sau đó, y(n) được đưa đến khối DFT, thu được {Y(k)}: N 1 Y ( k ) = DFT { y ( n)} = ∑ y (n)e j 2π kn / N ( k = 0 ,1, , N − 1) (1. 28) n =0 Giả sử không có ISI, mối quan hệ giữa Y(k) với H(k) = DFT {h(n)} , nhiễu ICI I(k) do sự dịch chuyển tần số Doppler và W(k) = DFT... hai chiều và bốn điểm bản tin như hình vẽ: Biên giới quyết định bit Điểm bản tin ( 01) • E/2 • Điểm bản tin (00) φ2 E/2 Điểm bản tin (11 ) • • Điểm bản tin (10 ) Hình 1. 8[2] Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK 1. 6.2 Điều chế QAM Ở hệ thống điều chế PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp với nhau sao cho tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi Tuy nhiên, nếu loại bỏ điều này và để cho các... tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR: Peak-to-Average Power Ratio) lớn, tỷ số PAPR cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hoà để khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PAPR lớn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế - OFDM nhạy với dịch tần và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng mang Vấn đề đồng bộ tần số trong . [7] (1. 1) 2Hình 1. 2[7] Ghép kênh phân chia theo tần sốf1f2fnf Hình 1. 1[7] Cấu trúc hệ thống đa sóng mang Chương 1 Tổng quan về OFDMTrong đó: K là hằng số. [2] (1. 15)Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0( ) (2 1) 4t iπθ= − (1. 16 )Trong đó: i = 1, 2, 3, 4 tương ứng là các ký tự được phát đi là “00”, “ 01 , 11 ”, 10 ”

Ngày đăng: 21/11/2012, 09:01

Xem thêm: OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất 1, OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất 1, 1 Tổng quan về OFDM 1: TỔNG QUAN VỀ OFDM 1 Tổng quan về OFDM, 1 Tổng quan về OFDM 1 Tổng quan về OFDM, 1 Tổng quan về OFDM 1 Tổng quan về OFDM, 1 Tổng quan về OFDM 1 Tổng quan về OFDM 1 Tổng quan về OFDM, 1 Tổng quan về OFDM 1 Tổng quan về OFDM